【论文阅读】处理器芯片敏捷设计方法：问题与挑战

发布时间：2024-12-09 01:56

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作者：包云岗老师

包云岗老师是计算机体系结构方向的大牛，推动了体系结构方面的开源事业! 欢迎对本栏目感兴趣的人学习"一生一芯"~

学习体会：

已有的软硬件生态系统和开发成本制约了对新结构的探索。但目前仍在几种路线上做尝试~

1. 通过新结构和新算法解决低功耗

2. 通用结构和专用结构

3. 突破指令集的禁锢

包老师在本文提出了新的目标导向: 以面向对象体系结构（OOA）设计范式为基础的处理器敏捷设计方法. 仍存在较多尚未解决的挑战和关键问题，主要包括：

１）如何实现处理器功能与结构的细粒度解耦？

２）如何实现面向对象的处理器设计高层抽象？

３）如何在设计自动化工具中深度融合体系结构特征？

PS: (time-to-market)需求场景变了, 需求也要跟着变化. 到24年年底, 高校研究敏捷开发已经成为大趋势, 站在当下去看看之前的思路和已经解决的问题, 对于后续科研也会带来帮助

PS: 通过设计范式、语言与EDA工具，实现CPU和XPU体系结构细粒度对象的易分解、易组合和易扩展, 未来更加像是堆叠积木了

PS: 这篇文章对于XPU敏捷开发、HLS→RTL、敏捷EDA工具链探讨,值得多次研读!

摘录自包云岗老师文章：

摘录自: 图３　面向对象体系结构（ＯＯＡ）设计方法技术要点题

新兴专用处理器 (XPU) 需求多样化，设计周期长，无法满足快速定制需求。

借鉴面向对象软件设计思想，以敏捷度（开发周期、开发成本和复杂度）为新的导向指标，在兼顾性能和可靠性的前提下，提出以面向对象体系结构（OOA）设计范式为基础的处理器敏捷设计方法.

PS: 原有的基于多步骤反复迭代的EDA技术进行性能-面积-功耗综合优化，导致极高的研发成本、周期及技术门槛.

挑战问题:

如何实现处理器功能与结构的细粒度解耦？

需要确定合适的对象分解粒度，兼顾实现复杂度和组合后的性能影响。P9

需要探索适应各种不同处理器流水线的通用设计模板。P9

需要根据设计目标和性能及面积约束，有效限制架构组合的搜索边界。P9

需要抽取关键体系结构参数及行为，形成面向对象的敏捷形式化验证方法。P9

如何实现面向对象的处理器设计高层抽象？

现有硬件描述语言无法兼顾处理器开发效率与硬件性能。P9

缺乏统一的中间表示形式，不便于硬件设计的复用与优化。P9

不同层次和行为的硬件描述语言的编译流程难以兼容，且不易调试。P9

如何在设计自动化工具中深度融合体系结构特征？

体系结构设计与物理设计无法有效协同，导致迭代周期长，收敛难度大。P5

缺乏高效的物理设计搜索寻优方法，难以融合处理器体系结构信息。

需要利用人工智能方法，实现体系结构特征与EDA工具深度融合。P10

PS: XPU敏捷开发、HLS→RTL、敏捷EDA工具链目前都是研究的热点, 后续继续观察

XPU敏捷开发:

理想的XPU敏捷设计要满足至少３个方面的特征：１）大幅度降低领域专用XPU设计门槛; ２）大幅度提高XPU的设计效率，缩短XPU的设计周期; ３）要保证XPU的设计质量

针对领域应用的这些特点，已经有很多专用的ＸＰＵ设计工作，总体上可以分为３种类型:

１）针对领域应用编程框架的设计方法．其核心思想是重用已有的软件编程框架来进行硬件加速器设计，来保证硬件加速器能够无缝地支持领域应用．

２）基于可重构硬件模板的加速器设计方法．其核心思想是将应用变换成硬件模板支持的模式，然后重用或者定制可重构加速器模板，实现领域应用的加速．典型的硬件模板有用于矩阵运算或者张量运算的二维脉动阵列.

３）基于领域专用语言(DSL)的自动化设计方法．本质上类似于高层次综合(HLS)，但是由于应用场景往往更加局限于领域应用，因此可以将领域知识一定程度地显式体现在DSL中，从而使得DSL的描述能够编译成更加高效的硬件.

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